專利名稱：積木式計算機和操作系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種新型的通用計算機——積木式計算機(NewCs)和操作系統(MOS)，它是以一種新理念為基礎設計的，可以廣泛應用于辦公、科研、管理、信息、自動控制、通信、軍事、教育和家庭等領域。
背景技術：
電子計算機經歷了幾代的發展。現今除了大型和專用計算機以外，幾乎是PC的天下，它被廣泛應用，已經成為一個日趨完善模式。然而現今的PC有著不可克服的弱點和難以解決問題1.資源閑置和浪費投資許多情況下人們總是有限地使用它，僅僅使用PC部分有限的資源，絕大多數用戶不可能也沒有必要使用它強大的資源。現今世界上的PC都應用同一個模式，在這種情況下，用戶不得不接受一個完整的計算機系統，許多用戶根本就不知道自己的計算機究竟有多少功能，因此不得不讓自己的計算機的某些硬件和軟件資源閑置。
從資金方面，人們也不得不為一個沒有充分利用的計算機系統投入不需要的資金，這對研制、生產、銷售和使用者以及地球環境都是多余的負擔和浪費。
2.快速發展與實際應用的矛盾計算機科學和技術在飛速發展，幾乎是兩三年就更新一次。當新的計算機出現時，舊的計算機就得不到軟硬件方面的技術支持和維護——盡管它仍然能夠很好地處理許多相對簡單問題(如奔騰2處理器的計算機，配置Windows98操作系統就能很好的完成通常的文字處理、電子表格和網絡瀏覽工作)，也不得不整機廢棄，實際上許多機器還是完好的。這就造成了必要的計算機技術進步和實際上不需要最新計算機技術的用戶之間的矛盾，近10年來這個矛盾日益突出。隨著新的處理芯片(如雙/多核處理器)的出現和新的操作系統(如Vista)的發布，這個矛盾有加劇的趨勢。
3.難以適應智能化社會需求隨著科學技術的發展，對智能化設備的需求越來越多，這離不開計算機的控制和管理。在這方面，人們大多使用微處理器來來解決設備智能化問題。由于微處理器的能力限制，它只能以分散控制的方式來完成。然而，在許多情況下需要的是集中控制(如家庭智能化方面的門禁與空調控制，從邏輯上應該是一個統一的控制過程。)，需要有較強處理能力的計算機來完成智能化工程控制。
在智能化工程控制領域，PC的擴展方式、接入能力、靈活性、多類型控制的集成和經濟性等諸多方面都不盡如人意。盡管由PC衍生的工控計算機已經形成一定的規模，然而它們大多被應用于特定的工作場合。這也是至今具有高處理性性能的PC在智能化工程方面幾乎毫無建樹的原因。
4.社會和安全問題PC的廣泛應用，尤其是結合現代網絡技術，在給人類帶來進步的同時也引起了廣泛的社會和安全問題，其中相當部分原因是由PC和操作系統的結構及其組成產生的。諸如應用軟件的任意安裝功能帶來的迷戀游戲和網絡等；外存儲器與內存的動態結合使用使計算機病毒得以泛濫。
5.硬件和軟件行業壟斷阻礙技術進步和發展PC的發展和應用已經被Inter和微軟控制和壟斷，這種壟斷阻礙了計算機技術的進步和發展(如美國政府對微軟的指控)。這種壟斷也嚴重阻礙我國計算機行業的自主發展(如我國自主研制的CPU應用前景)。
6.計算機行業知識產權保護盡管人們在計算機領域付出了很多的努力來保護這個行業的知識產權，然而盜版和侵權事件依舊泛濫，原因來自于多方面，而PC的結構和軟件使用條件使得這種侵害更為容易。
為了克服以上的弱點和問題，在人類新一代的智能計算機的實現之前，需要一種新的計算機來取代現在的PC。這種新的計算機必須具備以下特點●能夠利用現有的計算機科學和工程技術，并且跟隨它的進步而發展。
●具備現今計算機的全部功能，并且更強大。
●具備對智能設備強大和方便的控制和管理功能。
●具有靈活的結構，務實的部分軟硬件升級和繼承的能力。
●在安全和知識產權保護方面，具有比現今的計算機明顯的優勢。
●開放的技術，避免產生行業壟斷。
●較低的價格、方便的使用、應用范圍廣泛、易于維護。
積木式計算機能夠滿足以上的條件，而且現今的計算機科學技術、工程和工藝的發展已經能夠滿足它的設計和生產要求。
發明內容
名稱 積木式計算機和操作系統操作系統名稱 菜單操作系統計算機英文名稱NewCs操作系統英文名稱 MOS(Menu Operation System)1.積木式計算機概念(Conception ofNewCs)積木式計算機的概念基于模塊化結構。積木式計算機所有的硬件、軟件和接口都被設計和制造成模塊的形式——積木塊，人們可以根據不同的用途和需要選擇積木塊，然后將它們組合在一起，就如同搭積木一樣構成適應用戶需求的計算機。積木式計算機的操作系統在邏輯上將這些積木連接在一起，并且控制和操作它們的運行過程，實現計算機的全部功能。
2.積木式計算機體系結構(Construction of NewCs)多年來，計算機一直沿用著名的馮.諾伊曼體系結構(Von Neumann Architecture)。在這個體系結構下(說明書附圖中圖1)，內存儲器(只有一個主存儲器)和應用程序(可以有多個)是分別存在的，當需要使用某一個應用程序時(這個程序的主體多半預先安裝和存儲在外存儲器中，如硬盤)，操作系統通過輸入設備將該程序的相應部分調入內存，然后(經常結合外存儲器)運行。這種外存儲器與內存的動態結合使用方式在內存儲器非常昂貴的時期或者運行較大型程序時是必要的，也是必須的，當然也是許多問題的主要根源。
積木式計算機沿用了馮.諾伊曼體系結構的主體，但是它在以下方面進行了擴展1)系統中有多個內存儲器，每一個內存儲器都是獨立的。
2)每一個內存儲器中固化一個(也可以將幾個合并在一起)獨立運行的應用程序，程序類型不受限制。
3)內存儲器可以有屬于本身的接口與其他設備連接，并且利用該內存儲器中固化的程序對連接的設備進行控制和操作。
4)CPU可以單獨訪問每一個存儲器，并且與它建立獨立的邏輯關系。
說明書附圖中的圖2給出了積木式計算機的體系結構——擴展的馮.諾伊曼體系結構(AnExtended Type of von Neumann Architecture)。
積木式計算機與現今的計算機在實際結構上也存在著差別，說明書附圖中的圖3給出了PC的主要部件結構關系；說明書附圖中的圖4給出了積木式計算機的結構關系，這個結構關系也顯示出積木式計算機各部分的邏輯關系。
3.積木式計算機組成(Composing of NewCs)積木式計算機由以下8個模塊組成，它們都是獨立的硬件模塊●主板模塊(MBM——Main Board Model)●中央處理器模塊(CPUM——CPU Model)●高速緩存模塊(CacheM——Cache Model)●菜單操作系統模塊(MOSM——Menu Operation System Model)●內存、程序和接口模塊(MPIM——Memory，Program and Interface Model)●擴展主板模塊(EBM——Extended Board Model)●電源模塊(PAM——Power Adapter Model)●機箱模塊(BM——Box Model)1)主板模塊(MBM)主板模塊是一塊高密度印刷電路板，它是積木式計算機的主電路，它的作用是在機械和電氣上將積木式計算機的各個模塊連接起來；對地址、數據和控制3類信號進行傳輸；對于32位數據采用總線式系統結構；對于64位數據采用總線式系統結構或者通道式系統結構；對于128位數據采用通道式系統結構。
主板模塊上有若干電路插槽，每一個插槽與總線或者通道連接，插槽是其他模塊構成和連接計算機的接口，插槽采用統一的機械、電氣和數據標準。
主板模塊上有一個總線擴展插槽，用于連接擴展主板。
主板模塊上有專門的供電插槽，連接標準的電源模塊。主板模塊上連接的其他模塊通過主板模塊供電或者單獨供電。
2)中央處理器模塊(CPUM)中央處理器模塊由CPU和數據統一轉換電路組成，CPU可以是32位、64位和128位，不同系列的CPU通過數據統一轉換電路形成統一的數據格式和指令集，中央處理器模塊通過標準插槽連接到主板模塊上，構成計算機的主體部分。
3)高速緩存模塊(CacheM)高速緩存采用高速隨機存儲器，用來存放當前執行的程序中的活躍部分，它通過標準插槽連接到主板上，構成計算機的主體部分。高速緩存模塊的大小和類型可以根據需要選擇。
4)內存、程序和接口模塊(MPIM)內存、程序和接口模塊是積木式計算機的功能模塊，所有的應用程序或者需要程序驅動的I/O設備都通過MPIM連接到計算機上；MPIM與主板的接口采用積木式計算機的標準結構；MPIM采用只讀存儲器(ROM)，應用程序預先存儲固化在內，而且應用程序必須是該程序的全集；MPIM可以有自己獨立標準的接口連接其他外部設備(包括傳統意義上的外設)；可以有不需要指令就直接運行的MPIM(如連接人工輸入初始指令的設備)。
MPIM也可以有屬于自己的隨機存儲器(RAM)，用來存放自身在運行過程中的臨時程序和數據。這類隨機存儲器也可以有自己獨立的供電(如電池)系統，用于長久保存數據(如在控制過程中的用戶參數和數據)。
表1列出了MPIM的主要類型
5)菜單操作系統模塊(MOSM)菜單操作系統模塊中的ROM固化了菜單操作(MOS)，它是積木式計算機的核心部分之一，它通過標準插槽連接到主板上，構成計算機的主體部分。菜單操作系統是一個面向多任務的實時操作系統，它有一個菜單式操作過程，其他所有的應用程序都鏈接在它的上面。針對不同的需求它可以有不同的版本。它的主要功能是●識別安裝于計算機上的模塊，并在它們之間建立起相應的聯系。
●啟動、運行和終止應用程序。
●在MPIM與CPUM之間、不同的MPIM之間傳輸指令和數據。
●處理計算機運行過程中出現的非正常事件。
6)擴展主板模塊(EBM)擴展主板模塊是積木式計算機的主電路延伸，當主板的插槽不能滿足需要時，將擴展主板模塊通過總線擴展插槽連接到主板模塊上，也可以將多個擴展主板模塊連接在一起，擴大主板的規模。
●結構類型相同的主板模塊可以直接連接；●總線式主板模塊可以作為一個通道連接到通道式主板模塊上；●數據類型不同(如32位與64位)的主板模塊之間的數據傳輸通過專門的數據轉換器協調完成。
●當互相連接的主板模塊都安裝有CPUM時，就形成了多處理機。
擴展主板模塊概念的引用，使得積木式計算機具有強大的擴展和升級能力。當主板擴展和升級后，原來的MPIM依舊可以保留在原來的主板模塊上繼續使用。
7)電源模塊標準的電源模塊為積木式計算機供電，不同功率和規格的電源模塊適應不同的需求。
8)機箱模塊機箱模塊為積木式計算機提供安裝空間，不同結構和規格的機箱模塊適應不同的需求。
4.積木式計算機控制(Control of NewCs)積木式計算機的控制由菜單操作系統(MOS)的整體控制和MPIM的應用程序控制兩部分構成。
1)整體控制由MOS實現的整體控制包括以下部分●開機后檢查主板上安裝的模塊，啟動有不需要指令就直接運行的MPM(如鍵盤和顯示屏)，并且將全部模塊及程序以菜單形式顯示在相應的界面上。
●由用戶選擇需要運行的程序，然后啟動、控制和關閉它們。
●在運行程序、高速緩存和CPU之間傳輸數據和指令。
●控制不同的MPIM之間傳輸數據。
●在多任務的情況下，切換不同的運行程序于前后臺。
●向整個系統提供統一的時鐘，用于實時操作。
●處理非正常事件(如死鎖)。
2)應用程序控制每一個應用程序都是預先完整的存儲在MPIM中，不需要進行任何安裝和處理(病毒和惡意攻擊都無從去破壞它)就可以運行，它具有獨立的完整指令集和內存地址。當用戶通過MOS選擇運行它時，這個程序就被激活運行，同時啟動由它自己連接和控制的設備。
在應用程序運行中它執行以下工作●執行獨立和完整的程序運行周期；●使用自己獨立的內存地址；●通過標準接口與CPU建立起聯系，并且由CPU完成其運算；●可以將臨時程序和數據放在高速緩存中，也可以保存在自己的隨機存儲器中；●接受來自其他的MPIM的數據(或者發給其他的MPIM)；●控制它自己的設備，并完成相應的任務。
5.積木式計算機組合(Combination of NewCs)在理論上，積木式計算機具有無限制的組合形式，這些組合從簡單的單功能到復雜的多任務，不同的組合構成了性能迥異計算機。下面列出幾個典型的組合形式1)基本型基本型是積木式計算機的簡單形式，它由主板模塊、CPU模塊、高速緩存模塊、MOS模塊和必要的MPIM組成。基本型適用于單一功能需求的用戶，表1給出了常用基本型的組合
表22)通用型將多種功能的MPIM組合在一起就構成了通用型的積木式計算機，如將表2的4種基本型組合在一起就形成了一種通用型的計算機，表3給出了它的組合。
表3這是一個典型的組合形式，從它的功能上可以看出，它能夠滿足大多數家庭對計算機的使用需求。由于一般的辦公室文員不需要電器控制和游戲兩項功能，因此，用戶只需簡化典型的組合形式，就能夠滿足大多數辦公文員的需要。
如果將這個通用型的積木計算機與PC進行比較，可以得出明顯的結論——積木計算機解決和克服了PC存在的問題和弱點(如前面提到的)。
特別需要指出的是如果在一個積木式計算機上配置一個有具有相應的隨機存儲器、硬盤和PC操作系統軟件的MPIM就構成了一臺傳統意義的PC。
數據和處理中心型利用積木式計算機的技術可以構建出功能強大的計算機，當連接相當數量的外存儲器和CPU時，它可以成為一個強大的數據和處理中心。
1多年來，計算機一直沿用著名的馮.諾伊曼體系結構(Von Neumann Architecture)，圖1給出了這個體系結構的示意圖。
2圖2給出了積木式計算機的體系結構——擴展的馮.諾伊曼體系結構(An Extended Type ofvon Neumann Architecture)。通過圖2與圖1的比較可以看出它們之間的區別。
3圖3給出了PC的主要部件結構關系4圖4給出了積木式計算機的主要部件結構關系。通過圖3與圖4的比較可以看出它們之間的區別。
具體實施例方式
PC在計算機中成為為主流計算機已經有20多年歷史，智能計算機的實現還需要等待相當一段時間。在這期間需要有新型的計算機出現，從而體現計算機科學與技術發展的成果。
積木式計算機在結構上與現今的PC完全不同，這個不同不僅僅體現在卓越的性能上，同時也帶來了諸如主板及硬件、接口電氣規格、數據格式、指令集、操作系統、應用程序結構、對現有技術成果應用和繼承、商業運作和用戶認同等一系列的新問題，其中對于積木式計算機新的理念(如英文名稱所指——NewCsNew Conception，Construction，Composing，Control，Combination and Computer)的認同將是首要的。
積木式計算機的實現應該包括以下八個階段1.國際范圍的知識產權申請和保護。
2.確定電氣和數據標準。
3.MOS操作系統開發。
4.樣機設計和制造。
5.開放電氣和數據標準、開放MOS接口。
6.放棄MPIM方面的專利權。
7.工業化生產8.商業化推廣。
從現今我國的條件看，積木式計算機的實現在技術、材料、工藝、生產和人員上都沒有不可解決的問題，其中許多條件已經成熟，如國產CPU完全可以用于積木式計算機，并且具有很好的應用前景(如家庭和控制領域)。所以具體的開發實施工作應該立足國內，爭取在3年時間內實現產業化生產目標，打破Inter和微軟的控制和壟斷，擴大國際市場，提高我國在計算機領域的國際地位。
權利要求
1.積木式計算機和操作系統，它所有的硬件、軟件和接口都被設計和制造成模塊——積木塊，人們可以根據不同的用途和需要選擇積木塊，然后將它們組合在一起，就如同搭積木一樣構成適應用戶需求的計算機，積木式計算機的操作系統在邏輯上將這些積木連接在一起，并且控制和操作它們的運行，實現計算機的全部功能。其特征是積木式計算機系統中有多個內存儲器；每一個內存儲器都是獨立的；每一個內存儲器中固化一個(也可以將幾個合并在一起)獨立運行的應用程序，程序類型不受限制；內存儲器可以有屬于本身的接口與其他設備連接，并且利用該內存儲器中固化的程序對連接的設備進行控制和操作；CPU可以單獨訪問每一個存儲器，并且與它建立獨立的邏輯關系；積木式計算機由以下8個部分組成主板模塊(MBM——Main Board Model)，中央處理器模塊(CPUM——CPU Model)，高速緩存模塊(CacheM——Cache Model)，菜單操作系統模塊(MOSM——Menu Operation SystemModel)，內存、程序和接口模塊(MPIM——Memory，Program and Interface Model)，擴展主板模塊(EBM——Extended Board Model)，電源模塊(PAM——Power Adapter Model)機箱模塊(BM——Box Model)；積木式計算機的控制由菜單操作系統(MOS)的整體控制和MPIM的應用程序控制兩部分構成。
2.根據權利要求1所述的積木式計算機和操作系統，其特征是主板模塊是一塊高密度印刷電路板，它是積木式計算機的主電路，它的作用是在機械和電氣上將積木式計算機的各個模塊連接起來；對地址、數據和控制3類信號進行傳輸；對于32位數據采用總線式系統結構；對于64位數據采用總線式系統結構或者通道式系統結構；對于128位數據采用通道式系統結構；主板模塊上有若干電路插槽，每一個插槽與總線或者通道連接，插槽是其他模塊構成和連接計算機的接口，插槽采用統一的機械、電氣和數據標準；主板模塊上有一個總線擴展插槽，用于連接擴展主板；主板模塊上有專門的供電插槽，連接標準的電源模塊。
3.根據權利要求1所述的積木式計算機和操作系統，其特征是中央處理器模塊由CPU和數據統一轉換電路組成，CPU可以是32位、64位和128位，不同系列的CPU通過數據統一轉換電路形成統一的數據格式和指令集，中央處理器模塊通過標準插槽連接到主板模塊上，構成計算機的主體部分。
4.根據權利要求1所述的積木式計算機和操作系統，其特征是高速緩存采用高速隨機存儲器，用來存放當前執行的程序中的活躍部分，它通過標準插槽連接到主板上，構成計算機的主體部分；高速緩存模塊的大小和類型可以根據需要選擇。
5.根據權利要求1所述的積木式計算機和操作系統，其特征是內存、程序和接口模塊是積木式計算機的功能模塊，所有的應用程序或者需要程序驅動的I/O設備都通過MPIM連接到計算機上；MPIM與主板的接口采用積木式計算機的標準結構；MPIM采用只讀存儲器(ROM)，應用程序預先存儲固化在內，而且應用程序必須是該程序的全集；MPIM可以有自己獨立標準的接口連接其他外部設備(包括傳統意義上的外設)；可以有不需要指令就直接運行的MPIM(如連接人工輸入初始指令的設備)；MPIM也可以有屬于自己的隨機存儲器(RAM)，用來存放自身在運行過程中的臨時程序和數據；這類隨機存儲器也可以有自己獨立的供電(如電池)系統，用于長久保存數據(如在控制過程中的用戶參數和數據)。
6.根據權利要求1所述的積木式計算機和操作系統，其特征是菜單操作系統模塊中的ROM固化了菜單操作(MOS)，它是積木式計算機的核心部分之一，它通過標準插槽連接到主板上，構成計算機的主體部分；菜單操作系統是一個面向多任務的實時操作系統，它有一個菜單式操作過程，其他所有的應用程序都鏈接在它的上面；針對不同的需求它可以有不同的版本；它的主要功能是識別安裝于計算機上的模塊，并在它們之間建立起相應的聯系；啟動、運行和終止應用程序；在MPIM與CPUM之間、不同的MPIM之間傳輸指令和數據；處理計算機運行過程中出現的非正常事件。
7.根據權利要求1所述的積木式計算機和操作系統，其特征是擴展主板模塊是積木式計算機的主電路延伸，當主板的插槽不能滿足需要時，將擴展主板模塊通過總線擴展插槽連接到主板模塊上，也可以將多個擴展主板模塊連接在一起，擴大主板的規模。
8.根據權利要求1所述的積木式計算機和操作系統，其特征是積木式計算機的整體控制由菜單操作系統(MOS)完成，它有以下功能開機后檢查主板上安裝的模塊，啟動有不需要指令就直接運行的MPM(如鍵盤和顯示屏)，并且將全部模塊及程序以菜單形式顯示在相應的界面上；由用戶選擇需要運行的程序，然后啟動、控制和關閉它們；在運行程序、高速緩存和CPU之間傳輸數據和指令；控制不同的MPIM之間傳輸數據；在多任務的情況下，切換不同的運行程序于前后臺；向整個系統提供統一的時鐘，用于實時操作；處理非正常事件(如死鎖)。
9.根據權利要求1所述的積木式計算機和操作系統，其特征是每一個應用程序都是預先完整的存儲在MPIM中，不需要進行任何安裝和處理(病毒和惡意攻擊都無從去破壞它)就可以運行，它具有獨立的完整指令集和內存地址；當用戶通過MOS選擇運行它時，這個程序就被激活運行，同時啟動由它自己連接和控制的設備；應用程序運行中它執行以下工作執行獨立和完整的程序運行周期；使用自己獨立的內存地址；通過標準接口與CPU建立起聯系，并且由CPU完成其運算；可以將臨時程序和數據放在高速緩存中，也可以保存在自己的隨機存儲器中；接受來自其他的MPIM的數據(或者發給其他的MPIM)；控制它自己的設備，并完成相應的任務。
10.根據權利要求1所述的積木式計算機和操作系統，其特征是積木式計算機具有無限制的組合形式，這些組合從簡單的單功能到復雜的多任務，不同的組合構成了性能迥異計算機。
全文摘要
本發明涉及一種新型的通用計算機——積木式計算機(NewCs)和操作系統(MOS)，它是以一種新理念為基礎設計的，可用于社會生活的各個領域。積木式計算機所有的硬件、軟件和接口都被設計和制造成模塊的形式——積木塊，它在理論上具有無限擴展能力。人們根據用途選擇積木塊，然后將它們組合成適和用戶需求的計算機。它的操作系統(MOS)是面向多任務的實時操作系統，它在邏輯上將這些積木連接在一起，并且控制和操作計算機運行，實現計算機的全部功能。積木式計算機在結構上與PC完全不同，它工作效率高、用途廣、投資少、安全性高、利于知識產權保護、打破Intel在硬件和微軟在軟件的壟斷地位，提高我國在計算機領域的國際地位。
文檔編號G06F9/445GK101071409SQ20071009020
公開日2007年11月14日 申請日期2007年4月13日 優先權日2007年4月13日
發明者曲衛晶 申請人:曲衛晶